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65Mn钢激光焊接组织与硬度研究 |
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作者：贵州大学 刘其斌 李宾 白丽锋 来源：《现代模具》 |
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摘要：研究了65Mn钢激光焊接后微观组织和硬度的变化，结果表明：焊接质量良好，焊缝区组织由中心到边缘依次生成细小等轴晶、枝状晶、胞状晶。热影响区组织主要是针状马氏体、贝氏体以及少量铁素体。焊接接头主要由细小的α—Fe及Fe3C、FeSi等相组成。焊缝区平均硬度为HV710，热影响区硬度最高值约为HV770，从热影响区到基材硬度明显下降。
65Mn钢作为常用机器零件钢，广泛应用于机械、交通等部门。在做传统焊接时，由于65Mn的含碳量过高，有着难以克服的局限性，如热影响区大，热脆形性严重，而难以满足需求，与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、焊缝窄、焊缝结合强度高、热影响区小、焊接变形小及对周围组织无影响等特点而得到广泛应用[1]，目前，有关65Mn钢激光焊接的研究很少，本文对65Mn钢进行了CO2激光深熔焊的实验研究，重点分析了65Mn钢激光焊接后焊缝及热影响区的组织和硬度变化，为将来65Mn钢激光焊接的应用提供理论指导。
1 实验材料及试验方法
1.1 实验材料
取退火状态下的65Mn钢棒料，其成分如表1所示。
1.2 试验方法表1 基材的化学成分(质量百分比%)
 试样采用钼丝线切割成厚度为1mm，半径为12.5mm半圆柱状，使用前用400金相砂纸打磨表面，再用丙酮清洗备用。激光焊接试验采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器，，光斑尺寸为3mm，焦距320mm, 焊缝长度为25mm，采用Ar气作为保护气体。用GX51型奥林巴斯金相显微镜进行显微组织观察和拍照，用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪进行物相分析，用HV-1000显微硬度计进行显微硬度测试，载荷砝码200g，加载时间20s。对25个焊接试样进行焊后观察，找出焊缝成形好，接头狭窄，变形小，焊接焊缝笔直、光滑、均匀连续的三个最好试样进行分析，工艺如表2。表2 激光焊接工艺参数
 2 实验结果分析
图1为焊缝中心→近中心区→边缘区的组织分布，由图1(a)可以看出，焊缝中心主要为等轴晶分布，近中心区为胞状晶与树枝晶的混合组织。由图1(b)可知，在靠近热影响区的边缘区为少量的胞状晶。
(a)焊缝区 100× (b)焊缝与热影响区 500×
图1 焊缝中心区与结合区的组织
在进行激光焊接时，激光束与基材作用时间短，当光束移开后，熔池金属迅速冷却，然后快速凝固。在靠近熔池边缘，由于与母材接触，液态金属的结晶速度比熔池中心大，这样使焊缝金属生成胞状晶。在近中心区，由于温度梯度没有边缘区高，成份过冷度大，导致该区焊缝金属多数按树枝晶长大。而在焊缝中心区域，熔池金属温度梯度很小，熔池中未熔化的悬浮质点为非自发形核的现成凝固表面，这些晶粒不受其他散热条件的影响，可以自由生长，促使焊缝形成等轴晶[2-5]。
2.2热影响区金相组织
图2 热影响区的组织 500×
图2为焊接热影响区组织，由图2(a)可见：焊接的热影响区粗晶区主要是由针状马氏体组成，这是由于在靠近熔合线附近，温度在1350 ºC，奥氏体晶粒明显长大，快速冷却后转变成了粗大的高碳针状马氏体。
由图2(b)可见，相变重合区主要是由较为细小的针状马氏体组成，这是因为，在这个区域，焊接时的温度在950 ºC，奥氏体晶粒来不及长大，冷却速度没有熔合线附近快，冷却后转变成为细小的针状马氏体+铁素体+下贝氏体组织。
在相变不完全重合区，由于峰值温度在800 ºC，而且Ac1以上时间短，只有部分组织奥氏体化，冷却后转变为细小针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织，如图2(c)所示。
2.3 ΧRD衍射分析
图3为3号试样的XRD衍射图谱。由衍射结果可以看出，焊接接头相组成除了基体相α—Fe外，还有Fe3C、FeSi等相。由于α—Fe的硬度较低，而Fe3C和FeSi的硬度比较高，这些相的存在，可以保证焊接区有良好的强韧性配合。
图3 焊接接头的 ΧRD衍射结果
2.4 显微硬度分析
图4 焊接接头的显微硬度曲线
三种焊接工艺的焊缝接头的硬度分布曲线从图4可以看出其硬度分布曲线的走向成三个明显的区域：一是中间突起的平台区域，这是焊缝区域，平均硬度为HV710，其硬度值要明显高于其他区域;二是从平台区域往两边各有一个斜率较大的坡度，说明硬度值在这个区域有一个明显的锐减，这部分是焊接热影响区，从上面的组织分析可以看出这部分还是有马氏体和贝氏体存在.所以硬度值还是比较高的;第三区又是一个硬度平台，这是基材组织，平均硬度为HV230左右。
3 小结
(1) 65Mn钢经激光焊接后，焊接区的组织发生了较大的变化，焊缝区组织依次为细小等轴晶→枝状晶→胞状晶。热影响区粗晶区为粗大的针状马氏体，相变重合区为细小针状马氏体+铁素体+下贝氏体，不完全相变重合区为针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织。
(2)焊接接头的基体相为α—Fe，其上分布有结晶析出的Fe3C、FeSi等相。
(3)焊接接头的硬度分布规律为：焊缝区域平均硬度最大，平均为HV710，在焊缝与热影响结合区达到最高值为HV770，从热影响区到基材硬度明显下降。
参考文献
[1] 刘其斌. 激光加工技术及其应用[M].北京：冶金工业出版社 2007.
[2] 崔忠圻.金属学与热处理.北京：机械工业出版社 2000.
[3] 张永康. 激光加工技术[M].北京：化学工业出版社 2004.
[4] 王红英，李志军 AZ61镁合金激光焊接接头的组织与性能[J] 中国有色金属学报，2006，16(8)：1388-1392.
[5] 李亚江. 焊接组织性能与质量控制[M].北京：化学工业出版社 2004.(end)
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(7/6/2008) |
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